微型钻头及其制造方法

专利名称：微型钻头及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种微型钻头，该钻头用于在印刷电路板(PCB)、精密模具等之中加工 微型孔，以及其该钻头的制造方法，更具体涉及一种微型钻头及其制造方法，其中支撑钻头 部分的柄部分是由与钻头材料不同的材料制成。
背景技术：
虽然放电、超声波、激光等可用于加工微型孔，但迄今为止，使用微型钻头的精密 机械加工已被最广泛使用。这是因为使用微型钻头加工的优势在于，它比任何其他方法可 以加工出更深的孔，生产出直度、圆度、平行度、表面粗糙度等具有极佳精度的孔，并有助于 加工之后的精加工。特别是，在电子和计算机行业，微孔加工技术通常用于加工印刷电路 板，和用于制造集成电路(IC)的掩膜等。响应于大规模集成电路(LSIs)的集成度增加，出 于各种原因，如加工孔的精细化、相对于加工孔直径的深度(也就是，纵横比)增加，电路板 的高密度等，需要更高的加工精度和更高的生产率。随着开发集成高功能的微型元件的竞 争变得激烈，微型孔加工技术的重要性与日俱增。这种微型钻头通常分为加工孔的钻头部分，和固定在高转速电机夹头上的柄部 分。相关技术的制造方法包括通过烧结超硬材料制备具有预定直径的圆棒，以及成形加工 圆棒使得它具有钻头部分和柄部分。这样，微型钻头的整个部分是用超硬材料制成的。然 而，由于超硬材料是昂贵的，如果使用更多的超硬材料，制造成本增加。因此，为了降低成 本，制成由超硬材料制成的钻头，以及由不锈钢如STS420J制成的柄部分，并连接柄部分和 超硬材料制成的钻头部分等方法已经被提出。作为通过制造不同材料的钻头部分和柄部分而制造微型钻头的方法实例，如图1 所示，一种加工孔62的方法被广泛使用，其超硬棒80能够装配在柄部分60的孔62中，在 高温条件下使用加热装置70将超硬棒80压力装配到孔62中，并最终加工出钻头刀刃82。由于柄部分是由不锈钢制成的，这种相关技术的方法可以减少一定数量的超硬材 料的使用。然而，这种方法仍导致超硬材料的大量损失，因为加工的钻头刀刃82的最终直 径在0. Imm到0.4mm的范围中，而超硬棒80的直径为大约1.5mm。此外，由于用于柄部分 的不锈钢通常是具有高硬度的脆性材料，在柄部分62中形成旨在装配超硬棒的孔比在普 通钢材料中形成更昂贵。此外，为了安装超硬棒到柄部分中，需要根据超硬棒直径精细加工 孔。然而，在超硬不锈钢中形成具有Imm或者更小直径的微细孔是非常困难的，而且需要加 热到高温以将超硬材料连接到柄中。

发明内容
技术问题
本发明的各个方面提供了一种制造微型钻头的方法，其中，支撑钻头部分的柄部分是 由与钻头部分材料不同的材料制成的，并且其中加工可简化。此外提供了一种制造微型钻头的方法，可以通过减少昂贵的超硬材料的浪费来降低制造成本。此外，还提供了一种微型钻头及其制造方法，其中钻头部分和柄部分之间的连接 结构比相关技术的结构更稳定。技术方案
本发明的一方面，是一种制造微型钻头的方法，该微型钻头包括用于加工孔的钻头部 分和固定在发动机上的柄部分，钻头部分和柄部分是由不同的材料制成的，所述制造方法 包括以下步骤形成在其一端具有凹槽的钻头部分成形粉末压块，并形成具有突起的柄部 分成形粉末压块，所述突起旨在装配进钻头部分成形粉末压块的凹槽中；随着突起装配进 凹槽，形成钻头部分与柄部分的装配体；并且同时烧结钻头部分成形粉末压块与柄部分成 形粉末压块的装配体。在这种方法中，优选的是，在钻头部分成形粉末压块中形成的凹槽的内径尺寸与 柄部分成形粉末压块中形成的突起外径尺寸可进行确定，使得压块经受烧结后凹槽的内径 小于突起的外径。钻头部分成形粉末压块可以由选自碳化钨粉、钴粉、金属陶瓷粉的组中的 至少一种制成，柄部分成形粉末压块可以由300HV或者更大后烧结硬度的铁基合金粉末制 成。尤其是，优选钻头部分成形粉末压块是采用粉末注射成型(PIM)形成的。此外，钻头部 分成形粉末压块可以包括钻头刀刃部分和连接部分，连接部分的直径大于钻头刀刃部分的 直径，并且可以在连接部分的一端形成凹槽。烧结压块后，形成通过烧结而整体化的压块， 通过加工微型钻头的钻头刀刃部分而形成钻头刀刃。本发明的另一个方面，微型钻头包括用于加工孔的钻头部分和固定在发动机上的 柄部分，钻头部分和柄部分是由不同的材料制成的。钻头部分在其一端成型有钻头刀刃并 且在其另一端成型有凹槽，而且柄部分具有装配到钻头部分凹槽中的突起。钻头部分可以 成型为在一端形成有凹槽的钻头部分成形粉末压块，并且柄部分可以成型为在其一端形成 有突起的柄部分成形粉末压块。然后，随着突起装配到凹槽中，钻头部分成形粉末压块和柄 部分成形粉末压块同时烧结，以彼此集合起来。钻头部分可能包括钻头刀刃部分和连接部分，连接部分的直径大于钻头刀刃部 分，并且在连接部分的一端成型有凹槽。钻头部分成形粉末压块包含选自碳化钨粉，钴粉， 金属陶瓷粉末的组中的至少一种，柄部分成形粉末压块可能含有300Hv或者更大后烧结硬 度的铁基合金粉末。凹槽和突起可能在它们相互联结的部分具有成角度的横截面。有益效果
根据本发明，通过分别采用不同材料的粉末制备钻头部分粉末压块和柄部分粉末压 块，在烧结前将粉末压块彼此装配，并且通过同时烧结它们而结合粉末压块以制造出微型 钻头。因此，与相关技术的方法比较，制造工艺简单，且加工成本降低，因为不锈钢是脆性材 料，所以它不需要精密仪器。此外，在制备钻头部分成形粉末压块时，考虑到烧结过程中的收缩，可以调整旨在 形成钻头刀刃的部分(也就是钻头刀刃部分)的尺寸。结果，最终烧结压块的钻头刀刃部分 具有最小直径以形成钻头刀刃。因此，当加工钻头刀刃时，可以最大限度地减少昂贵的超硬 材料的浪费，从而减少整体的制造成本。此外，在相关技术的方法中，旨在装配由超硬材料制成的钻头部分的孔不得不在 由不锈钢制成的柄部分中形成。该孔在设计中具有极其低的自由度，只能被加工成圆形。然
4而，根据本发明，旨在形成钻头部分和柄部分的粉末压块，能够模制成各种形状，并且包括 钻头部分的凹槽和柄部分的突起的连接结构，可成型为各种形状，例如，便于有效传递转动 转矩(rotational torque)的角度形状。因此，本发明可以提供微型钻头，其中钻头部分和 柄部分之间的连接结构比相关技术中的更稳定。


图1是显示制造相关技术的微型钻头的过程的视图； 图2是显示本发明制造微型钻头的过程的视图3是显示本发明的微型钻头中相互连接的钻头部分的凹槽和柄部分的突起，它们的 横截面的不同示例的视图；以及
图4是显示超硬材料碳化钨的粉末压块，以及柄部分材料的不锈钢粉末压块随温度的 收缩性能。
具体实施例方式下面将参考附图对本发明的微型钻头及其制造方法进行详细说明。本发明制造微型钻头的方法，其中包括加工孔的钻头部分和固定到发动机上的柄 部分，钻头部分和柄部分是由不同材料制成的。该方法包括以下步骤形成在其一端具有凹 槽的钻头部分粉末压块，以及形成具有突起的柄部分粉末压块，所述突起旨在装配到钻头 部分粉末压块的凹槽中；随着突起装配到凹槽中，形成钻头部分粉末压块和柄部分粉末压 块的装配体；并且同时烧结钻头部分粉末压块和柄部分粉末压块的装配体。粉末压块的制备
首先，制备旨在形成钻头部分粉末压块的粉末烧结混合料。为此，在此实施方案中， WC-Swt % Co用作超硬粉末，其中8wt%的Co加入到碳化钨(WC)中。这里，根据用途可以加 入lwt%或者更少的TiC，TaC, VC, Cr3C2或类似物。此外，金属陶瓷可用作超硬材料。尽管 超硬材料具有0. 2mm的平均直径，但也可以加入平均直径小于Imm的粉末。如果需要，可以 加入用于模制的粘合剂。在此实施方案中，使用了 50衬％聚乙烯，45wt%石蜡，和5wt%硬脂 酸。粉末与粘合剂的体积比是50:50。该粉末烧结混合料是通过使用加热到150°C的密炼 机(Banbury mixer)制备的。然后，制备旨在形成柄部分成形粉末压块的烧结混合料。这里，柄部分形成不 锈钢STS 420J粉末用于柄部分的粉末材料。此外，可以使用铁基合金粉末，如Fe(2-8) Ni (0. 2-0. 8)C，STS630，STS440C，或者高速工具钢。优选地使用具有平均直径范围为7mm到 15mm的粉末。在此实施方案中，粉末的平均直径为8mm。此外，优选柄部分成形材料具有 300Hv或者更大的后烧结硬度。使用与钻头部分成形粉末压块中的相同的粘合剂。也就是 说，使用50wt%聚乙烯、45wt%石蜡和5wt%硬脂酸。这里，粉末与粘合剂的体积比是61 49。该粉末烧结混合料是使用被加热到150°C的密炼机(Banbury mixer)制备。粉末压块的形成
随后，使用粉末烧结混合料，形成具有各自形状的钻头部分成形粉末压块以及柄部分 成形粉末压块。首先，指的是图2中的“粉末压块制备”步骤，钻头部分成形粉末压块100形成这种形状，在其一末端具有凹槽104。钻头部分成形粉末压块100被配置成具有钻头刀刃部分 106和连接部分102。钻头刀刃部分106被配置成具有在最终烧结过程后以加工钻头刀刃 的最小外径。优选，在其一末端形成凹槽104的连接部分102，具有锥形形状，使得在远离钻 头刀刃部分106方向直径增大。此后，柄部分成形粉末压块200被配置成具有在主体202的末端拥有突起204。突 起202的形状和直径使它可以被安装到凹槽104中。也就是说，如图2所示，钻头部分成形 粉末压块100被配置成具有包围柄部分粉末压块200的突起204的轮廓。该凹槽104的直 径比柄部分成形粉末压块200的主体202的外径更小，并且比突起204的外径更大。设定 凹槽104和突起204的尺寸，要考虑到钻头部分成形粉末压块100所用的材料和柄部分成 形粉末压块200所用的材料在烧结过程中的收缩。此外，相互连接的凹槽104和突起204 的横截面，可以有各种形状，以有效地转移在钻头运行时由发动机引起的柄的旋转转矩。图 3显示了凹槽104和突起204可以采用的形状的不同示例。特别是，图3所示的所有零部 件(a)至(c)的“角度形状”，其中部分(a)显示了在其外围形成有角度的突起的一般圆形形 状，部分(b)显示一般十字形，并且部分(c)显示六角形的形状。这里，优选，如图2所示的钻头部分成形粉末压块100，采用粉末注射成型(PIM)， 也就是用于生产净形(net shape)的技术来形成。PIM技术用于制造三维净形(net shape), 其中基本上不需要后续过程，通过将金属或者金属陶瓷粉末与粘合剂混合，从混合物使用 模具形成注射成型产品，并脱脂和烧结粘合剂。特别是，优选在设计中具有高自由度的注射 成型，因为凹槽104是在钻头部分成形粉末压块100的一端形成的。在柄部分成形粉末压 块200的实例中，可以使用压缩成型代替PIM。在这里，加工突起204后，柄部分成形粉末压 块成型为棒。特别是，在案件中，钻头部分成形粉末压块100和柄部分成形粉末压块200制 造的实例中使用IPM，如图3所示，具有不同形状的凹槽104和突起204更易成型并具有高 精度。此外，尽管在此实施方案中，钻头部分成形粉末压块100和柄部分成形粉末压块200 是采用不同的注射成型工艺成型的，粉末压块能够通过使用具有双粉末喷嘴的模具成型并 装配。在这种情况下，可以使用共注射成型，其先通过一个喷嘴形成柄部分粉末压块后，通 过另一个喷嘴形成钻头部分成形粉末压块。粉末压块的装配和共烧结
粉末压块100和200彼此装配，钻头部分的凹槽104安装到柄部分的突起204中，然后 调整装配使得钻头部分成形粉末压块100放置在柄部分成形粉末压块200上。在这种状态 下，两个粉末压块100和200同时进行烧结。烧结，优选是真空烧结。烧结温度的合适温度范围是1300°C-1380°C。在这里， 1300°C是此实施方案中使用的WC-Co合金开始转化为液相的温度，1380°C是柄材料不锈钢 的熔点温度。烧结时间确定为4小时或者更少。与此同时，在烧结过程前，为了从粉末压块 中去除粘合剂可以进行脱脂过程。脱脂过程能够在室温下热分解，它可以使用氮气、氢气或 者氮气和氢气的混合物。此外，可以使用溶剂抽出，超临界流出，减压脱脂或类似技术。图4显示了钻头部分的超硬材料(WC-Co)和柄部分的不锈钢(STS 420J)随温度的 收缩性能。如图4所示，钻头部分的WC-Co是在大约1000°C开始收缩，并且不锈钢与超硬材 料相比在较低的温度开始烧结收缩。当钻头部分成形粉末压块100和柄部分成形粉末压块 200同时烧结，柄部分比钻头部分开始收缩的温度低。因此，优选，柄部分上形成突起并钻头部分中形成凹槽，柄部分上形成的突起位于钻头部分中形成的凹槽的里面，以避免在烧结 中产品形成断裂或损伤。此外，在最终烧结后，钻头部分的凹槽内径比柄的突起的外径小大 约0. 01%-3%，有可能进一步提高钻头部分和柄部分的连接力(coupling force)。在这种情 况下，考虑烧结的钻头部分成形粉末压块100压缩度与柄部分成形粉末压块200压缩度，可 以确定钻头部分成形粉末压块100的凹槽104的内径尺寸Tl，与柄部分成形粉末压块200 的突起204的外径尺寸T2。钻头刀刃加工
之后，通过共烧结形成最终烧结压块，钻头部分108是通过加工钻头刀刃部分106生产 的。在这里，由于钻头刀刃部分106具有最小直径，为加工钻头刀刃的必要，它与相关技术 的方法相比可以最大限度地减少超硬材料的浪费。当加工钻头刀刃完成后，生产的微型钻 头作为最终产品。虽然这里介绍了发明的典型实施方式，具有本发明所属领域的普通技术的人员， 能够不背离本发明的精神而进行变化。因此，为了说明和描述的目的，提出了本发明前面介 绍的具体实施方案。本发明的范围不是由上面的细节描述确定，而是由所附的本发明的权 利要求确定的。还应当了解，由权利要求导出的所有改变或修改，或者它们的等同方式都落 入发明的范围之内。
权利要求
1.一种微型钻头的制造方法，其包括加工孔的钻头部分和固定到发动机上的柄部 分，钻头部分和柄部分是用不同材料制成的，所述方法包括形成在其一端上具有凹槽的钻头部分成形粉末压块，并形成具有突起的柄部分成形粉 末压块，所述突起旨在装配到钻头部分成形粉末压块的凹槽中；随着突起装配到凹槽中，形成钻头部分成形粉末压块和柄部分成形粉末压块的装配 体；以及同时烧结钻头部分成形粉末压块和柄部分成形粉末压块的装配体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对钻头部分成形粉末压块中形成的凹槽 的内径尺寸与柄部分成形粉末压块中形成的突起的外径尺寸进行确定，使得在粉末压块烧 结后凹槽的内径比突起的外径小。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，钻头部分成形粉末压块包含选自碳化 钨粉、钴粉、金属陶瓷粉末的组中至少一个，柄部分成形粉末压块含有300Hv或更大后烧结 硬度的铁基合金粉末。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，钻头部分成形粉末压块是采用粉末注 射成型形成。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，钻头部分成形粉末压块包括钻头刀刃 部分和连接部分，连接部分的直径大于钻头刀刃部分，而且在连接部分的一端形成有凹槽。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括在烧结装配后通过加工微型钻头 刀刃部分形成钻头刀刃。
7.—种微型钻头，包括用于加工孔的钻头部分和固定到发动机的柄部分，钻头部分和 柄部分是由不同材料制成的，其特征在于，钻头部分在其一端形成有钻头刀刃，在另一端形成有凹槽，以及柄部分具有安装到钻头部分凹槽中的突起。
8.根据权利要求7所述的微型钻头，其特征在于，钻头部分成型为在其一端形成有凹 槽的钻头部分成形粉末压块，并且柄部分成型为在一端形成有突起的柄部分成形粉末压 块，其中钻头部分成形粉末压块和柄部分成形粉末压块通过同时烧结，随着突起装配到凹 槽中而彼此结合。
9.根据权利要求7或8所述的微型钻头，其特征在于，钻头部分包括钻头刀刃部分和连 接部分，连接部分的直径大于钻头刀刃部分，而且在连接部分的末端形成凹槽。
10.根据权利要求7或8所述的微型钻头，其特征在于，钻头部分成形粉末压块包含选 自碳化钨粉，钴粉，金属陶瓷粉末的组中的至少一种，柄部分成形粉末压块含有300Hv或更 大后烧结硬度的铁基合金粉末。
11.根据权利要求7或8所述的微型钻头，其特征在于，凹槽和突起在凹槽和突起相互 连接的地方具有成角度的横截面。
全文摘要
本发明的微型钻头制造方法包括加工孔的钻头部分和固定到发动机上的柄部分，钻头部分和柄部分是由不同材料制成的。该微型钻头制造方法包括形成在其一端具有凹槽的钻头部分成形粉末压块，以及形成具有突起的柄部分成形粉末压块，所述突起装配到钻头部分成形粉末压块的凹槽中，随着突起装配到凹槽中，形成钻头部分成形粉末压块和柄部分成形粉末压块的装配体，并且同时烧结钻头部分成形粉末压块和柄部分成形粉末压块的装配体。
文档编号B22F7/06GK102143813SQ200980134539
公开日2011年8月3日 申请日期2009年6月23日 优先权日2008年7月8日
发明者尹泰植, 曹承铉, 曹淳镇, 李在濬 申请人:贝斯娜株式会社